KR20210045744A - 박막 태양 전지 - Google Patents

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KR20210045744A
KR20210045744A KR1020190129147A KR20190129147A KR20210045744A KR 20210045744 A KR20210045744 A KR 20210045744A KR 1020190129147 A KR1020190129147 A KR 1020190129147A KR 20190129147 A KR20190129147 A KR 20190129147A KR 20210045744 A KR20210045744 A KR 20210045744A
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layer
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박남규
인성준
박주성
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재단법인 파동에너지 극한제어 연구단
서울대학교산학협력단
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Abstract

하부 전극 및 상기 하부 전극으로부터 순차적으로 적층된 정공 수송층, 광활성층, 전자 수송층, 상부 전극 및 유전체 보호층을 포함하고; 상기 하부 전극의 상부면에는 단면이 직사각형 또는 정사각형인 볼록 패턴 및 상기 볼록 패턴과 바로 이웃하는 볼록 패턴 사이에 형성된 평탄면을 구비하고; 상기 정공 수송층의 상부면에는 상기 하부 전극의 상기 볼록 패턴에 나란하도록 볼록 패턴이 형성되고 상기 하부 전극의 평탄면에 나란도록 평탄면이 형성되고, 상기 볼록 패턴은 종횡비가 0.1 내지 1이고, 상기 광활성층의 상부면, 상기 전자 수송층의 상부면, 상기 상부 전극의 상부면, 상기 유전체 보호층의 상부면은 각각 평면인 것인, 박막 태양 전지가 제공된다.

Description

박막 태양 전지{THIN LAYER SOLAR CELL}
본 발명은 박막 태양 전지에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 광 흡수 효율이 높고, 전자와 정공 간의 재결합의 증가 없이 분리된 전자 정공 수집 특성을 제공할 수 있는 박막 태양 전지에 관한 것이다.
태양 전지는 화석 연료의 고갈과 그에 따른 에너지원 가격 상승, 이산화탄소 배출에 대한 규제와 그에 따른 탄소 배출권 시장의 확대, 지구 온난화 등의 환경 문제를 해결해 줄 청정 대체 에너지원으로 주목을 받고 있다. 하지만, 태양 전지의 경우 효율에 있어, 증가 폭이 침체를 겪고 있어 기존의 광 흡수 및 전자, 정공 수집 특성을 크게 증가시킬 수 있는 구조가 필요하다. 특히, 유기 태양 전지의 경우 유기 광 흡수 물질의 낮은 전하 이동도로 인하여, 광 활성층의 두께는 수백 nm 이하로 제한이 될 수 밖에 없고 따라서 태양광을 충분히 흡수하지 못한다. 태양 전지의 표면적을 넓게 하는 방법이 고려될 수 있으나 공간상 제약, 제조 비용이 증가할 수 밖에 없으며, 수평 방향의 단위 표면적 당 광 흡수 효율을 높이는데 한계가 있다.
이에 태양 전지 구성 물질에 관계없이 전반에 걸쳐 전자-정공 재결합 증가 없이 광 흡수를 높일 수 있는 금속 구조 및 금속 입자 등을 이용한 새로운 광 흡수 기술 및 태양전지 구조가 필요하다.
본 발명의 배경 기술은 한국공개특허 제10-2017-0113193호 등에 기술되어 있다.
태양 전지 중 광 활성층에서 흡수하는 가시광선 대역 내에서의 광 흡수 효율을 높일 수 있는 태양 전지를 제공하는 것이다.
태양 전지 중 광 손실이 강하게 일어나는 단파장 및 중간 파장 영역의 광 에너지 흡수 효율을 높이고 광 전하를 발생시켜 광 흡수 효율을 높일 수 있는 태양 전지를 제공하는 것이다.
광 전환 효율의 손실 없이 생성된 광 전하를 이동 및 전송 가능하게 하여 효율을 높일 수 있는 태양 전지를 제공하는 것이다.
나노 구조 및 입자에 의한 전기적 손실을 막을 수 있는, 균일하고, 방해 없는 전자-홀 전송 경로 및 흡수를 제공할 수 있는 태양 전지를 제공하는 것이다.
박막 태양 전지는 하부 전극 및 상기 하부 전극으로부터 순차적으로 적층된 정공 수송층, 광 활성층, 전자 수송층, 상부 전극 및 유전체 보호층을 포함하고; 상기 하부 전극의 상부면에는 단면이 직사각형 또는 정사각형인 볼록 패턴 및 상기 볼록 패턴과 바로 이웃하는 볼록 패턴 사이에 형성된 평탄면을 구비하고; 상기 정공 수송층의 상부면에는 상기 하부 전극의 상기 볼록 패턴에 나란하도록 볼록 패턴이 형성되고 상기 하부 전극의 평탄면에 나란도록 평탄면이 형성되고, 상기 볼록 패턴은 종횡비가 0.1 내지 1이고, 상기 광 활성층의 상부면, 상기 전자 수송층의 상부면, 상기 상부 전극의 상부면, 상기 유전체 보호층의 상부면은 각각 평면이다.
일 구체예에서, 상기 볼록 패턴은 단면이 직사각형인 패턴일 수 있다.
일 구체예에서, 상기 하부 전극의 전체 면적 중 평탄면의 전체 면적의 비율은 30% 내지 90%일 수 있다.
일 구체예에서, 상기 광 활성층은 p-타입 폴리머, n-타입 폴리머의 1:0.5 내지 1:5의 중량비의 혼합물로 형성된 유기 광 활성층을 포함할 수 있다.
태양 전지 중 광 활성층에서 흡수하는 가시광선 대역 내에서의 광 흡수 효율을 높일 수 있는 태양 전지를 제공하였다.
태양 전지 중 광 손실이 강하게 일어나는 단파장 및 중간 파장 영역의 광 에너지 흡수 효율을 높이고 광 전하를 발생시켜 광 흡수 효율을 높일 수 있는 태양 전지를 제공하였다.
광 전환 효율의 손실 없이 생성된 광 전하를 이동 및 전송 가능하게 하여 효율을 높일 수 있는 태양 전지를 제공하였다.
도 1은 본 발명 일 실시예의 태양 전지의 두께 방향 단면도이다.
도 2는 비교예 1의 태양 전지의 두께 방향 단면도이다.
도 3은 실시예 1과 비교예 1의 광 파장에 따른 광 흡수율 평가 결과이다.
도 4는 실시예 1의 광 파장에 따른 광 흡수율 증가 평가 결과이다.
도 5는 실시예 1의 광 파장에 따른 전기장 분포도(Enorm) 및 엑시톤 생성율 분포도(Gopt) 평가 결과이다. 도 5에서 5a는 전기장 분포의 입사파장 700nm의 TM 편광, 5b는 전기장 분포의 입사파장 700nm의 TE 편광, 5c는 엑시톤 생성율 분포의 입사파장 700nm의 TM 편광, 5d는 엑시톤 생성율 분포의 입사파장 700nm의 TE 편광에서의 결과이다.
도 6은 비교예 1의 광 파장에 따른 전기장 분포도(Enorm) 및 엑시톤 생성율 분포도(Gopt) 평가 결과이다. 도 6에서 6a는 입사파장 700nm의 TM 편광, 6b는 입사파장 700nm의 TE 편광 결과이다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 이러한 실시예는 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 아래의 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시된 것일 뿐이며, 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명의 박막 태양 전지는 하부 전극 및 하부 전극으로부터 순차적으로 적층된 정공 수송층, 전자 수송층, 상부 전극 및 유전체 보호층을 포함한다.
태양 전지에서, 하부 금속 전극의 상부면, 정공 수송층의 상부면에는 각각 서로 이격되어 형성된 복수 개의 볼록 패턴 및 상기 볼록 패턴과 바로 이웃하는 볼록 패턴 사이에 형성된 평탄면을 구비한다. 정공 수송층의 상부면에 형성된 볼록 패턴은 하부 전극의 상부면에 형성된 볼록 패턴과 나란하게 형성되어 있다. 본 발명에서는 광활성층의 상부면, 전자 수송층의 상부면, 상부 전극의 상부면, 유전체 보호층의 상부면에서는 상술한 볼록 패턴이 형성되지 않은 전체적인 평면이다.
상기 볼록 패턴에 대해 "나란하게 형성되어 있다"는 것은 하기 상술되는 볼록 패턴의 중심이 서로 어긋나 있지 않고 동일 직선 상에 있음을 의미한다. 상기 평탄면에 대해 "나란하게 형성되어 있다"는 것은 하기 상술되는 평탄면의 중심이 서로 어긋나 있지 않고 동일 직선 상에 있음을 의미한다.
볼록 패턴은 단면이 직사각형 또는 정사각형이고, 볼록 패턴은 종횡비가 0.1 내지 1이다. 상기 "종횡비"는 볼록 패턴의 최대폭에 대한 높이의 비(볼록 패턴의 높이/볼록 패턴의 최대폭)를 의미한다.
본 발명의 태양 전지에서는 광활성층의 상부면, 전자 수송층의 상부면, 상부 전극의 상부면, 유전체 보호층의 상부면에서는 상술한 볼록 패턴이 형성되지 않은 전체적인 평면으로 하는 대신에 볼록 패턴의 종횡비를 0.1 내지 1로 제어함으로써 광 손실을 낮추고 광 흡수율 및 광전 변환 효율을 높였다.
이하, 도 1을 참고하여, 본 발명의 태양 전지를 설명한다. 도 1은 본 발명 일 실시예의 태양 전지의 두께 방향 단면도이다.
도 1을 참고하면, 태양 전지는 하부 전극(110), 정공 수송층(120), 광 활성층(130), 전자 수송층(140), 상부 전극(150), 유전제 보호층(160)이 순차적으로 적층된 구조를 갖는다.
도 1에서 도시되지 않았지만, 태양 전지에 있어서, 외부 광은 유전체 보호층(160), 상부 전극(150), 전자 수송층(140), 광 활성층(130), 정공 수송층(120), 하부 전극(110)의 순서로 투과되면서 광전 효과를 나타낸다.
하부 전극(110)의 상부면에는 복수 개의 볼록 패턴(111), 볼록 패턴(111)과 이웃하는 볼록 패턴(111) 사이에 형성된 형성된 평탄면(112)이 형성되어 있다. 상기 "볼록 패턴"은 외부광이 있는 방향 즉 도 1에서 상부쪽으로 돌출된 형태의 패턴을 의미한다.
볼록 패턴(111)은 종횡비가 0.1 내지 1이다. 상기 범위에서, 본 발명의 볼록 패턴과 평탄면이 형성된 태양 전지에 있어서 광전 변환 효율과 광 흡수율을 높일 수 있다. 바람직하게는, 종횡비는 0.2 내지 0.6이 될 수 있다.
볼록 패턴(111)에는 중심이 존재한다. 상기 "중심"은 볼록 패턴의 최대폭의 1/2에 대응되는 곡면의 일 점을 의미한다. 이것은 정공 수송층(120)에도 동일하게 적용된다.
볼록 패턴(111)은 최대폭(W)이 60nm 내지 540nm, 바람직하게는 100nm 내지 200nm가 될 수 있다. 볼록 패턴은 최대 높이(h)가 10nm 내지 60nm, 바람직하게는 40nm 내지 50nm가 될 수 있다. 상기 범위에서, 본 발명의 종횡비에 용이하게 도달할 수 있고, 수광 면적을 넓혀 광 흡수율을 보다 높일 수 있다.
볼록 패턴(111)은 볼록 패턴으로서, 두께 방향 단면이 직사각형 또는 정사각형이 될 수 있다. 바람직하게는, 두께 방향 단면이 직사각형이 됨으로써 본 발명의 효과 구현이 보다 용이할 수 있다.
태양 전지에 있어서, 볼록 패턴(111)의 최대폭은 서로 다르게 할 수도 있지만, 서로 동일하게 함으로써, 정공 수송층에서의 볼록 패턴의 형성을 용이하게 할 수 있다.
볼록 패턴(111) 및 이웃하는 볼록 패턴(111) 사이에는 평탄면(112)이 형성되어 있다. 평탄면(112)은 평탄면 없이 볼록 패턴(111)만 형성된 태양 전지 대비 11.3% 상승 효과를 더 높일 수 있다.
태양 전지에 있어서, 태양 전지의 하부 전극(110)의 전체 면적 중 평탄면의 전체 면적의 비율은 30% 내지 90%, 예를 들면 40% 내지 80%가 될 수 있다. 상기 범위에서, 광전 변환 효율을 보다 높일 수 있다.
평탄면(112)는 소정 범위의 폭을 가지며, 평탄면(112)의 폭은 볼록 패턴의 최대폭보다는 작거나 클 수 있고, 예를 들면 460nm 내지 840nm, 구체적으로 600nm 내지 800nm가 될 수 있다. 상기 범위에서, 광전 변환 효율을 보다 높일 수 있다.
태양 전지에 있어서, 볼록 패턴의 중심과 이웃하는 볼록 패턴의 중심 간의 최소 거리는 주기(P)를 형성한다. 주기(P)는 600nm 내지 1200nm, 구체적으로 700nm 내지 900nm가 될 수 있다. 상기 범위에서, 강한 표면 진행 플라즈모닉 효과가 있을 수 있다.
하부 전극(110)은 산화인듐주석, 산화인듐아연, 산화인듐갈륨아연, 산화인듐주석아연, 갈륨도핑 산화아연, 알루미늄도핑 산화아연, 불소도핑 산화주석, 산화아연주석, 산화인듐갈륨, ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, SnO2-Sb2O3 중 하나 이상을 포함하는 금속 산화물 투명 전극; 전도성 고분자, 그래핀, 그래핀 산화물, 탄소나노튜브 등을 포함하는 유기 투명 전극; 금속이 결합된 탄소나노튜브와 같은 유기-무기 결합 투명 전극; 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 몰리브덴(Mo), 금(Au), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 지르코늄(Zr), 철(Fe), 망간(Mn), 팔라듐(Pd), 크롬(Cr) 등의 금속 원소로 형성된 금속 전극; 또는 상기 금속 원소를 포함하는 전구체, 예를 들면 질산은(AgNO3), Cu(HAFC)2 (Cu(hexafluoroacetylacetonate)2,), Cu(HAFC)(1,5-Cyclooctanediene), Cu(HAFC)(1,5-Dimethylcyclooctanediene), Cu(HAFC)(4-Methyl-1-pentene), Cu(HAFC)(Vinylcyclohexane), Cu(HAFC)(DMB), Cu(TMHD)2(Cu (tetramethylheptanedionate)2), DMAH(dimethylaluminum hydride), TMEDA(tetramethylethylenediamine), DMEAA(dimethylethylamine alane, NMe2Et·AlH3), TMA(trimethylaluminum), TEA(triethylaluminum), TBA(triisobutylaluminum), TDMAT(tetra(dimethylamino)titanium), TDEAT(tetra(dimethylamino)titanium) 등일 수 있다.
바람직하게는, 하부 전극(110)은 금속 전극이고, 더 바람직하게는 은 전극일 수 있다.
하부 전극(10)의 두께[이때 두께는 볼록 패턴의 높이를 제외한 하부 전극의 하부면에서 평탄면까지의 두께를 의미한다]는 100nm 내지 500nm, 바람직하게는 100nm 내지 300nm가 될 수 있다. 상기 범위에서, 태양 전지의 기계적 강도를 높일 수 있다.
정공 수송층(120)의 상부면에는 하부 전극(110)에 나란하도록 볼록 패턴과 평탄면이 형성되어 있다.
정공 수송층(120)의 평탄면의 폭은 하부 전극의 평탄면의 폭 대비 작다. 이를 통해, 하부 전극 상에 정공 수송층을 안정적으로 형성할 수 있다.
정공 수송층(120)은 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 바나디움(V), 리튬(Li), 텅스텐(W), 아연(Zn) 또는 구리(Cu)의 산화물, 예를 들면 MoO3, NiOx, V2O5, LiF, WO3, ZnO, CuOx 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 정공 수송층은 MoO3를 포함할 수 있다.
정공 수송층(120)의 두께는 2nm 내지 50nm, 바람직하게는 5nm 내지 10nm가 될 수 있다. 상기 범위에서, 태양 전지의 전기적 전송도를 보장하며, 전자 및 정공 흡수를 높일 수 있다.
정공 수송층(120)의 두께는 하부 전극(110)에서 볼록 패턴(111)이 형성된 부분과 평탄면(112)이 형성된 부분에 따라 서로 다르다.
본 발명의 태양 전지에 있어서는, 정공 수송층(120) 중 하부 전극(110)의 평탄면(112)에 대응되는 두께(D1)는 하부 전극(110)의 볼록 패턴(111)에 대응되는 두께(D2) 대비 크다. 즉, 정공 수송층(120)의 두께는 증가, 감소, 증가, 감소의 주기적인 변동을 갖는다. 이를 통해 볼록 패턴과 평탄면이 형성된 부분의 단차에 의한 효과를 완화시킬 수 있다.
정공 수송층(120)의 두께(D1), (D2)는 각각 2nm 내지 15nm, 바람직하게는 2nm 내지 5nm가 될 수 있다. 상기 범위에서, 태양 전지의 전기적 전송도를 보장하며, 전자 및 정공 흡수를 높일 수 있다.
광 활성층(130)의 상부면은 상술한 볼록 패턴이 형성되지 않은 전체적인 평면이다.
광 활성층(130)은 유기 광 활성층, 무기 광 활성층 중 1종 이상으로 구성될 수 있다. 바람직하게는, 유기 광 활성층을 포함함으로써 본 발명의 효과 구현이 용이할 수 있다.
무기 광 활성층은 무정형 실리콘, 폴리 실리콘, 결정형 실리콘, 구리 인듐 갈륨 셀레나이드 중 1종 이상을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
유기 광 활성층은 p-타입 폴리머, n-타입 폴리머 중 1종 이상을 포함할 수 있다. 일 구체예에서, 유기 광 활성층은 p-타입 폴리머, n-타입 폴리머를 1:0.1 내지 1:5의 중량비, 바람직하게는 1:0.3 내지 1:3의 중량비, 더 바람직하게는 1:0.5 내지 1:2의 중량비로 포함할 수 있다. 상기 중량비 범위에서, 최적의 광흡수 효과가 있을 수 있다.
p-타입 폴리머는 poly-3-hexylthiophene(P3HT), poly-3-octylthiophene(P3OT), poly-p-phenylenevinylene(PPV), poly(2-methoxy, 5-(2-ethyle-hexyloxy)-1, 4-phenylenevinylene(MEH-PPV), poly(2-methyl, 5-(3', 7'-dimethyloctyloxy))-1, 4-phenylenevinylene(MDMO-PPV), poly(4,8-bis(5-(2-ethylhexyl)thiophen-2-yl)benzo(1,2-b:4,5-b‘)dithiophene-co-3-fluorothieno(3,4-b)thiophene-2-carboxylate(PTB7-Th) 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
n-타입 폴리머는 (6,6)-phenyl-C61-butyric acid methyl ester(PC61BM), (6,6)-phenyl-C71-butyric acid methyl ester(PC71BM), fullerene(C60), (6,6)-thienyl-C61-butyric acid methyl ester(ThCBM), 탄소나노튜브, 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
광 활성층(130)은 퀀텀닷, 페로브스카이트 물질 중 하나 이상을 포함할 수도 있다.
광 활성층(130)의 두께는 태양 전지의 광 흡수율 및 최종 효율을 제어할 수 있는 파라미터이다. 광 활성층의 두께는 50nm 내지 300nm, 바람직하게는 50nm 내지 200nm, 가장 바람직하게는 100nm 내지 120nm가 될 수 있다. 상기 범위에서, 태양 전지의 광 흡수율과 최종 태양 전지의 효율을 높일 수 있다.
전자 수송층(140)은 상술한 볼록 패턴이 형성되지 않은 전체적인 평면이다.
전자 수송층(140)은 bilayered fulleropyrrolidinium iodide(FPI)-polyethyleneimine(FPI-PEIE)를 포함할 수 있다.
전자 수송층(140)의 두께는 10nm 내지 50nm, 바람직하게는 10nm 내지 20nm가 될 수 있다. 상기 범위에서, 태양 전지의 전기적 전송도를 보장하며, 전자 및 정공 흡수를 높일 수 있다.
상부 전극(150)은 상술한 볼록 패턴이 형성되지 않은 전체적인 평면이다.
상부 전극(150)은 하부 전극(110)에서 나열된 물질 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 바람직하게는, 상부 전극은 금속 전극이고, 더 바람직하게는 은 전극일 수 있다.
상부 전극(150)의 두께는 5nm 내지 20nm, 바람직하게는 10nm 내지 15nm가 될 수 있다. 상기 범위에서, 태양 전지의 광 흡수율을 극대화 하며, 기계적 강도를 높일 수 있다.
유전체 보호층(160)의 상부면은 상술한 볼록 패턴이 형성되지 않은 전체적인 평면이다.
유전체 보호층(160)은 TeO2, TiO2, polyacrylic acid(PAA), polymethyl methacrylate(PMMA) 및 poly(allylamine hydrochloride(PAH) 중 하나 이상으로 형성된 코팅층을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 유전체 보호층(160)은 TeO2를 포함할 수 있다.
유전체 보호층(160)의 두께는 30nm 내지 100nm, 바람직하게는 40nm 내지 60nm가 될 수 있다. 상기 범위에서, 태양 전지의 기계적 강도를 높일 수 있다.
태양 전지에 있어서, 하부 전극의 볼록 패턴과 평탄면, 정공 수송층의 볼록 패턴과 평탄면, 광 활성층, 전자 수송층, 상부 전극, 유전체 보호층은 각각의 공정에 의해 제조되거나 일련의 하기 공정에 의해 제조된다.
구체적으로, 자체 조립(self-assembly), PDMS(폴리디메틸실록산)-몰딩, 연신 PDMS 시트(stretching PDMS sheets), 또는 기계적 이완 PDMS (mechanical release PDMS) 등으로 제작이 가능하며, 이외에도 다양한 방법으로 제작할 수 있다. 예를 들면, mechanical release PDMS 방법을 이용하는 경우, poly(ethylene glycol diacrylate)(p(EGDA))을 PDMS 기판 위에 증착하고, 압력을 가한다. 이후 진공 하에서 40℃로 가열하여 공동 구조를 제조할 수 있다. 이와 같은 공동 구조위에 금속 증착을 통해 하부 전극층을 형성한다. 그 후 Spin-coating의 방법으로 정공 수송층, 광 활성층, 전자 수송층을 각각 적층하고, 이후 금속 증착을 통해 상부 전극을, 유전체 증착 또는 spin-coating을 통해 유전체 보호층을 형성하여 태양 전지를 제작한다.
이하, 본 발명을 실시예 1, 비교예 1, 비교예 2 에 의해 보다 상세히 설명한다.
실시예 1
하부 전극으로 두께 100nm의 은 전극; 정공 수송층으로 두께 5nm의 MoO3; 광 활성층으로 두께 100nm의 PTB7-TH와 PC71BM의 1:1.5의 중량비의 혼합물로 이루어진 유기 광 활성층; 전자 수송층으로 두께 10nm의 FPI-PEIE으로 이루어진 층; 상부 전극으로 두께 12nm의 은 전극; 유전체 보호층으로 두께 50nm의 TeO2 층이 순차적으로 적층되고; 하부 전극에는 볼록 패턴(최대폭: 200nm, 높이: 50nm, 종횡비: 0.25)과 평탄면(폭: 700nm)이 순서대로 형성되고; 정공 수송층에는 볼록 패턴과 평탄면에 나란하도록 볼록 패턴과 평탄면이 형성되고, 이때 평탄면에 대응되는 정공 수송층의 두께(D2)는 2nm, 볼록 패턴에 대응되는 정공 수송층의 두께(D1)은 5nm로서 도 1의 단면 형상을 갖는 유기 태양 전지를 제조하였다. 하부 전극의 전체 면적 중 평탄면의 전체 면적의 비율은 77.7%이다.
실시예 2
실시예 1에서 종횡비를 0.1로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 박막 태양 전지를 제조하였다.
실시예 3
실시예 1에서 종횡비를 1로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 박막 태양 전지를 제조하였다.
비교예 1
도 2에서 비교예 1에서 제조되는 태양 전지의 두께 방향 단면을 나타내었다. 도 2를 참조하면, 하부 전극(10), 정공 수송층(20), 광 활성층(30), 전자 수송층(40), ITO층(50)이 순차적으로 적층되고, 하부 전극(10), 정공 수송층(20), 광 활성층(30), 전자 수송층(40), ITO층(50)은 각각 평탄면이다.
하부 전극으로 두께 100nm의 은 전극; 정공 수송층으로 두께 5nm의 MoO3; 광 활성층으로 두께 100nm의 PTB7-TH와 PC71BM의 혼합물로 이루어진 층; 전자 수송층으로 두께 10nm의 FPI-PEIE으로 이루어진 층; 두께 80nm의 ITO층이 순차적으로 적층된 것으로 사용하였다.
비교예 2
실시예 1에서, 볼록 패턴의 종횡비를 0.05로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 실시하여 박막 태양 전지를 제조하였다.
비교예 3
실시예 1에서, 볼록 패턴의 종횡비를 1.1로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 실시하여 박막 태양 전지를 제조하였다.
실험예
실시예 1과 비교예 1에서 제조한 태양 전지 모형에 있어서 광 흡수 및 효율 성능을 평가하였으며, 그 결과를 도 3, 도 4에 나타내었다. 도 3, 도 4를 참조하면, 실시예 1에서 광 흡수가 전체적으로 증가하였으며, AM1.5G 태양광 하에서 광 흡수율 11.3%가 증가되었다.
실시예 1과 비교예 1에서 제조한 태양 전지 모형에 있어서 전기장 분포도(Enorm) 및 엑시톤 생성율 분포도(Gopt)를 확인하고 그 결과를 도 5, 도 6에 나타내었다. 도 5, 도 6에서 나타나는 바와 같이, 파장 영역 700nm에서도 매우 강한 전자장 집속 및 엑시톤이 생성되어, 태양전지의 효율이 현저하게 됨을 확인할 수 있다.
비교예 2의 태양 전지에 비해 실시예 1의 광 흡수율은 8% 가 증가되었다.
비교예 3의 태양 전지에 비해 실시예 1의 광 흡수율은 7.7% 가 증가되었다.
실시예 2, 실시예 3도 비교예 1, 비교예 2, 비교예 3 대비 광 흡수율이 증가되었다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims (4)

  1. 하부 전극 및 상기 하부 전극으로부터 순차적으로 적층된 정공 수송층, 광 활성층, 전자 수송층, 상부 전극 및 유전체 보호층을 포함하고;
    상기 하부 전극의 상부면에는 단면이 직사각형 또는 정사각형인 볼록 패턴 및 상기 볼록 패턴과 바로 이웃하는 볼록 패턴 사이에 형성된 평탄면을 구비하고;
    상기 정공 수송층의 상부면에는 상기 하부 전극의 상기 볼록 패턴에 나란하도록 볼록 패턴이 형성되고 상기 하부 전극의 평탄면에 나란도록 평탄면이 형성되고;
    상기 볼록 패턴은 종횡비가 0.1 내지 1이고;
    상기 광 활성층의 상부면, 상기 전자 수송층의 상부면, 상기 상부 전극의 상부면, 상기 유전체 보호층의 상부면은 각각 평면인 것인, 박막 태양 전지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 볼록 패턴은 단면이 직사각형인 패턴인 것인, 박막 태양 전지.
  3. 제1항에 있어서, 상기 하부 전극의 전체 면적 중 평탄면의 전체 면적의 비율은 30% 내지 90%인 것인, 박막 태양 전지.
  4. 제1항에 있어서, 상기 광 활성층은 p-타입 폴리머, n-타입 폴리머의 1:0.5 내지 1:5의 중량비의 혼합물로 형성된 유기 광 활성층을 포함하는 것인, 박막 태양 전지.
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